[發明專利]外加瞬變磁場控制電渣熔鑄的方法及電渣熔鑄裝置

有效

• 申請號: 201310017421.0
• 申請日: 2013-01-18
• 公開（公告）號: CN103056344A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 鐘云波;吳秋芳;馮美龍;李強;鄭天祥;孫宗乾;雷作勝;任維麗
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B22D23/10
• 分類號: B22D23/10;B22D27/02
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明涉及一種特殊鋼電渣冶金工藝和裝置，特別是涉及一種電渣熔鑄的方法及電渣熔鑄裝置，在電渣熔鑄過程中，通過施加瞬變磁場細化金屬熔滴提高精煉效果，細化凝固組織減少鑄錠偏析的方法及裝置，適于各種電渣產品如高溫合金及精密合金的生產。

背景技術

眾所周知，合金中存在的氫、氮、碳和非金屬夾雜物將破壞基體的連續性，成為微裂紋源，在高應力作用下裂紋擴散引起鑄件斷裂，從而大大降低材料的使用壽命。電渣熔鑄作為一種高效精煉手段，通過其二次精煉可獲得純凈度高、組織均勻致密且低倍缺陷少的凝固組織。其原理是利用冶煉電流通過熔渣產生的電阻熱將自耗電極熔化，熔滴穿過渣層進入金屬熔池，在異型水冷結晶器內凝固成鑄錠。由于金屬熔體與渣液充分接觸，高達90%的夾雜物可以得到充分去除。其中，電極末端的熔滴大小對夾雜物去除效率至關重要，熔滴越小，渣金接觸比表面積越大，熔滴穿過渣池的時間越長，夾雜物更容易被吸附去除。但如何在保證電渣參數不變的情況下有效地細化熔滴，目前尚沒有很好的應用方法。此外，電渣錠凝固組織為粗大的柱狀晶，枝晶間及柱狀晶界上存在大量的偏析，特別是熔鑄大型高合金鑄件時，由于鑄件各部分冷卻速度不同，成分偏析更為嚴重，甚至出現宏觀偏析。枝晶偏析一般可通過退火使偏析元素充分擴散達到均勻化的目的；而對合金性能危害更大的晶界偏析則不能通過簡單的熱處理得以消除，必須通過晶粒細化、氧化物及硫化物等有害非金屬夾雜物的控制得以抑制。因此，優化鋼渣反應條件，進一步提高電渣熔鑄的精煉提純效果、細化晶粒以減小鑄錠偏析是電渣熔鑄工藝亟須解決的兩大核心技術問題。

為細化電渣錠凝固組織和控制偏析，目前已開發出超聲波復合電渣重熔、旋轉磁場復合電渣重熔、旋轉母電極、渣池加熱、靜磁場復合電渣重熔等技術，均存在不足之處。如超聲波在渣池和金屬熔池中衰減得很厲害，且本身具有方向性，超聲波功率受到限制等因素限制了其應用；外加旋轉磁場能驅動渣液和金屬熔池旋轉，有望打碎枝晶，但是這將帶來卷渣的巨大危險；旋轉母電極也能使渣池溫度均勻化，但是同樣會帶來卷渣這一危害；而渣池加熱技術在保持渣池溫度均勻分布方面有獨特優勢，從而可獲得更為淺平的金屬熔池，有利于形成近軸向生長的枝晶組織，對減小鑄錠偏析有積極作用，但對細化晶粒和提高精煉效率影響不顯著；靜磁場復合電渣重熔技術在提高電渣重熔精煉效率和細化晶粒方面均有一定的效果，但由于靜磁場能量密度較低，且具有方向性，其強化精煉效率和細化晶粒的效果仍然有限。由此可見，細化電渣熔鑄過程中的熔滴及凝固組織，目前仍然缺少有效的手段。

發明內容

為了解決現有技術問題，本發明的目的在于克服已有技術存在的缺陷，提供一種外加瞬變磁場控制電渣熔鑄的方法及電渣熔鑄裝置，在電渣熔鑄過程中施加瞬變磁場，通過其獨特的電磁力效應達到細化熔滴提高精煉效率、細化晶粒、減小鑄錠偏析技術發明目的，實現產業應用價值。

為達到上述發明創造目的，本發明的構思如下：

本發明提供一種外加瞬變磁場控制電渣熔鑄的方法及電渣熔鑄裝置，其原理在于將適當頻率的瞬變磁場施加在傳統電渣重熔的結晶器周圍，同時保持瞬變磁場線圈處于與母電極熔化末端、液態渣池、金屬熔池重合的位置。由于電磁感應原理，瞬變磁場將在電極末端熔滴、液態渣池和金屬熔池中產生強大的交變洛倫茲力和壓力波。該交變洛倫茲力和壓力波復合作用于電極末端的熔滴，將使熔滴呈爆裂式分散，掛在電極末端正在匯聚長大的大顆熔滴分裂形成非常細小的熔滴群。熔滴直徑的細化，增加了熔滴的比表面積、縮短了夾雜物和雜質從熔滴中心到渣金界面的遷移距離，同時延長了熔滴在渣池內的沉降時間，因此對去除熔滴中的非金屬夾雜物及雜質元素非常有利。此外，當交變洛倫茲力和壓力波共同作用于渣池和金屬熔池，一方面將在渣池和金屬熔池中產生微區流動，使兩者的溫度分布更加均勻，降低凝固界面前沿的溫度梯度，從而有助于獲得內生生長的條件；另一方面，強大的交變洛倫茲力和壓力波還可以打碎界面前沿正在生長的枝晶，同時促進結晶器壁表面的晶核脫落，形成晶核增殖效應；另外，瞬變磁場產生的壓力波還可以促進金屬熔池中的自發形核，增加形核率。上述這些瞬變磁場帶來的綜合效應直接導致施加瞬變磁場可以細化電渣錠的枝晶，甚至獲得等軸晶組織。另外，瞬變磁場在液態金屬熔池中還將產生箍縮力（Pinch?Force）效應，即將金屬熔體推離結晶器壁，形成軟接觸條件，這將大大提高電渣錠的表面質量。

根據以上發明構思，本發明采用下述技術方案：